高安全高精度热成型马氏体钢零件制备方法.pdf

一种高安全高精度热成型马氏体钢零件制备方法，属于获得以马氏体为基体组织的合金钢板的热冲压成型零件的控制冷却工艺领域。工艺为：将钢板加热到Ac3温度以上20－250℃，从而保证钢获得奥氏体组织，随后移送到冲压模具上进行冲压成型；此时，控制冲压模具的温度在100－400℃的区域，冲压成型后保持5－60秒后，从冲压模具中取出成型零件。优点在于，获得优良的塑性和安全性，并大幅度提高钢的抗氢脆敏感性。

1、  一种高安全高精度热成型马氏体钢零件制备方法，其特征在于，工艺为：将钢板加热到Ac3温度以上20-250℃，从而保证钢获得奥氏体组织，随后移送到冲压模具上进行冲压成型；此时，控制冲压模具的温度在100-400℃的区域，冲压成型后保持5-60秒后，从冲压模具中取出成型零件。

2、  按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的钢板成分为：C：0.12-0.60、Mn：0.05-2.0、Si：0.05-2.30，P≤0.015，S≤0.005，[O]≤0.0030，[N]0.002-0.015，在此基础上添加B：0.0005-0.005、Cr：0.10-1.50、Mo：0.15-0.80、Al 0.015-0.060，Ti：0.02-0.10、Ni：0.20-4.0、Nb：0.02-0.10、V：0.02-0.25；Ca或Re：0.001-0.002，余为Fe及不可避免的不纯物。

高安全高精度热成型马氏体钢零件制备方法
技术领域
本发明属于获得以马氏体为基体组织的合金钢板的热冲压成型零件的控制冷却工艺领域，特别是提供了一种高安全高精度热成型马氏体钢零件制备方法，适合于薄厚度钢板热冲压型并获得抗拉强度为1.3GPa-2.2GPa马氏体组织的零件。
背景技术
随着汽车轻量化和安全性要求的提高，要求汽车结构件用钢具有超高强度。传统的铁素体钢、珠光体钢以及贝氏体钢的强度水平都低于1.2GPa，因此只有选择超高强度的马氏体钢才能满足要求。通常情况下，马氏体钢是通过加工成型后再进行淬火回火热处理获得，对于薄厚度零件，淬火变形非常严重。而如果采用先热处理再冷冲压成型的话，则存在变形难度大、变形后零件回弹大等问题。
最近，国外开发了一种将热冲压成型和热处理结合起来的新工艺，即热成型工艺(Hot Stamping)(Taylan Altan.Stamping Journal，2007，(1)：14-15)。采用该工艺能够生产汽车用超高强度马氏体钢薄厚度零件。该工艺是将钢板加热到850-1000℃，随后移送到冲压模具上，模具采用水冷，模具的温度为室温或甚至更低。使钢板在冲压变形过程中以50-150℃/s的速度快速冷却到100℃以下，获得淬火马氏体组织。该工艺使钢板获得单一的马氏体组织，其塑性值较低。国际通用的抗拉强度为1.3-1.5GPa级的22MnB5钢的延伸率指标仅为大于8％，实物水平通常在10％左右。另外，钢板冷却速度较高，还易导致马氏体内应力较大和局部冷却过快易出现冲压不合格的问题，大大增加了生产难度，并对生产设备要求极高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高安全高精度热成型马氏体钢零件制备方法。即将钢板加热到850-1000℃，随后移送到模具上进行冲压成型。同时，不同于传统工艺采用冷模具的方法，本发明通过控制模具的温度，从而使钢板的冷却速度得到有效控制，解决了由于钢板冷却速度较快，造成的由于钢板降温快使钢板的塑性快速下降，易冲压破损的问题，以及冷却过快和终止冷却温度低导致的零件淬火内应力大及钢板延伸率低的问题。
本发明的具体工艺如下：根据钢板和成型工艺的不同，将钢板加热到Ac3温度以上20-250℃(即850-1000℃)，从而保证钢获得高温奥氏体组织，随后移送到冲压模具上进行冲压成型，移送到温度在100-400℃区域的冲压模具上进行冲压成型，冲压成型后保持5-60秒后，从冲压模具中取出成型零件。此时，控制冲压模具的温度在100-400℃的区域，通过控制模具的温度实现有效控制钢板冷却过程中温度变化的情况，从而实现三个目标：一、可获得钢板在900-400℃区域内，冷却速度略低于钢板在水冷模具的冷却速度，既可以防止模具冲压钢板过程中，钢板局部与模具接触部分温度降低过快，致使钢板塑性下降，从而导致变形回弹或局部减薄甚至断裂，又可以保证钢板淬透性的要求；二、大大减缓了钢板的在Ms点附近的冷却速度，获得多相组织和马氏体相变过程中碳的重新分配，提高钢的塑性，获得更高的安全性；三、钢板终止冷却温度的提高和钢板冷却速度的降低，大大降低了钢中马氏体相变内应力，从而提高零件使用安全性。
本发明所述的钢板成分为：C：0.12-0.60、Mn：0.05-2.0、Si：0.05-2.30，P≤0.015，S≤0.005，[O]≤0.0030，[N]0.002-0.015，在此基础上可添加B：0.0005-0.005、Cr：0.10-1.50、Mo：0.15-0.80、Al 0.015-0.060，Ti：0.02-0.10、Ni：0.20-4.0、Nb：0.02-0.10、V：0.02-0.25等；Ca或Re：0.001-0.002，余为Fe及不可避免的不纯物。
经模拟试验，测得不同钢板在不同温度的模具上的冷却变化规律，见附图1。由图可知，本发明的控温模具设计使钢板在较高温度区间仍有较快的冷速，可以保证钢的淬透性要求，并其控制温度的上方存在钢板温度缓慢冷却区域。本发明通过控制模具的温度，从而控制了冷却速度和缓慢冷却区域的位置。根据冷却速度和缓冷起始温度的不同，钢中可能析出不同体积百分比的铁素体、下贝氏体组织，切分原奥氏体晶粒，细化钢的组织控制单元，降低钢的屈强比和提高塑性。另外，由于缓慢冷却，在较高温度时先形成的下贝氏体和马氏体中的碳原子，将向此时未转变的奥氏体中扩散，形成低碳贝氏体和低碳马氏体；同时，在此温度下未转化的奥氏体中碳含量大幅度增加，随后由这些碳含量较高的奥氏体转变形成马氏体中含有更高的碳含量，以形成高的硬度的组织结构；并且由于碳的向未转变奥氏体中的扩散，使其马氏体转变终止温度(Mf点)降低，可能造成在室温及更低温度时，仍存在一定数量的残余奥氏体。总之，通过在马氏体相变过程中控制缓慢冷却，利用碳的重分配，最终获得一定比例的无碳下贝氏体、低碳马氏体、中高碳马氏体和残余奥氏体，以细化钢的组织控制单元，获得优良的塑性和安全性，并大幅度提高钢的抗氢脆敏感性。
附图说明
图1为本发明测得不同钢板在不同温度的模具上的冷却变化规律。
具体实施方式
实施例1-2#，以及对比钢为采转炉+精炼+连铸+热连轧工艺生产；3#为电炉+炼精+模铸+中板轧制+冷轧生产；4#为真空感应炉+电渣重熔+锻造+中板轧制+冷轧生产，具体成分见表1。钢的热处理工艺和模具温度见表2。钢的力学性能见表3。
表1 钢的化学成分